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(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

1 船舶有限元課程的背景和重要性

2010年，由教育部牽頭，啟動(dòng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)。該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[1-2]。學(xué)校的船舶與海洋工程入選“卓越計(jì)劃”后，通過(guò)加強(qiáng)與行業(yè)企業(yè)深度參與的培養(yǎng)過(guò)程，與技術(shù)領(lǐng)先的滬東造船集團(tuán)合作，研究制定專業(yè)理論+工程實(shí)踐的“3+1”模式[3]。按照工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)和船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才，不斷強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算軟件技術(shù)的不斷更新成熟，計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)這一學(xué)科在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前在船舶領(lǐng)域，全船有限元、艙段分析及局部結(jié)構(gòu)有限元分析已越來(lái)越普遍被船東及船級(jí)社在設(shè)計(jì)中所采用，尤其是由新材料建造的船舶及新型結(jié)構(gòu)的船舶設(shè)計(jì)，有限元分析更是設(shè)計(jì)者的重要依據(jù)之一。以中國(guó)船級(jí)社的入級(jí)規(guī)范為例，2000年以前的船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算絕大部分是基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論形成的半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法。2000年以后的做法，則是在具體規(guī)范中增加了很多涉及有限元計(jì)算的指導(dǎo)篇幅，更有頒布的《油船結(jié)構(gòu)直接計(jì)算分析》[4]等關(guān)于有限元方法用于船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算的專門規(guī)范。無(wú)論是2006年國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)頒布的油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)還是正在推進(jìn)中的協(xié)調(diào)共同規(guī)范(HCSR)，有限元理論的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

根據(jù)船舶與海洋工程專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和能力要求，工程師必須具備船舶與海洋工程項(xiàng)目所必需的工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力[5]。課程的目的側(cè)重為各大造船企業(yè)和地方船廠培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)廣泛，動(dòng)手能力強(qiáng)，具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型、應(yīng)用型船舶與海洋工程高級(jí)技術(shù)人才。面對(duì)船舶工業(yè)高速發(fā)展的需求，圍繞船舶行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的更新和調(diào)整，必須進(jìn)一步提高工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量，增加學(xué)生的專業(yè)就業(yè)適應(yīng)性。為此，船舶有限元課程的改革勢(shì)在必行。

2 課程改革的必要性

2.1 過(guò)于重理論輕實(shí)踐的教學(xué)模式

由于有限元理論的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般會(huì)占用大量篇幅來(lái)講解這個(gè)理論的基礎(chǔ)知識(shí)。因此，有些船舶專業(yè)院校只對(duì)專業(yè)的高年級(jí)研究生進(jìn)行授課。授課總學(xué)時(shí)有限，在理論教學(xué)比重較大時(shí)，課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)將被大幅度精簡(jiǎn)，最終的實(shí)踐環(huán)節(jié)以計(jì)算機(jī)仿真建模為主，只能進(jìn)行桿、梁等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的建模分析計(jì)算，不利于體現(xiàn)有限元方法的優(yōu)越性及在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用性。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的理論實(shí)習(xí)，也不利于提高學(xué)生的積極性。根據(jù)學(xué)生的反饋意見，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在課程結(jié)束后，仍然對(duì)有限元理論一知半解，對(duì)上機(jī)的操作仍顯生疏，對(duì)理論在船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更是無(wú)從下手。

2.2 教學(xué)資源的匱乏

教學(xué)資源的匱乏主要體現(xiàn)兩個(gè)方面。

一是教材的缺乏，國(guó)內(nèi)外關(guān)于有限元方法的理論和通用軟件的書籍很多，但是面向船舶，與船舶設(shè)計(jì)相關(guān)的有限元方法應(yīng)用的教材并不多見，且一般是偏理論性的[6-7]，沒(méi)有相關(guān)的工程實(shí)例，與實(shí)際工程應(yīng)用的聯(lián)系并不緊密。對(duì)于應(yīng)屆大學(xué)生而言，以上的知識(shí)體系的學(xué)習(xí)可以讓他們了解和掌握相關(guān)的理論知識(shí)，但是由于缺乏直接面向船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)用講解和工程實(shí)例講解，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的針對(duì)性不強(qiáng)，學(xué)生難以適應(yīng)有限元分析工作。

二是工程案例的缺乏。工程項(xiàng)目的教學(xué)首先需要有實(shí)際的項(xiàng)目，再進(jìn)行工程項(xiàng)目的教學(xué)案例設(shè)計(jì)。工程項(xiàng)目一般來(lái)源于企業(yè)，屬于學(xué)校與企業(yè)的合作項(xiàng)目，一般在簽訂之初就附有保密協(xié)議等限制條件，工程案例難以流入正常的教學(xué)環(huán)節(jié)，使得當(dāng)前適用于教學(xué)的工程實(shí)例比較匱乏。

2.3 學(xué)生與老師的互動(dòng)不足

有限元理論是內(nèi)容體系涉及到多學(xué)科的理論，具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)知識(shí)背景，結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論性、邏輯性和學(xué)科交叉性，是學(xué)生在掌握高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等重點(diǎn)復(fù)雜學(xué)科基礎(chǔ)上的后續(xù)課程。多年來(lái)，其教學(xué)過(guò)于偏向?qū)W術(shù)化，而大多數(shù)學(xué)生的前期基礎(chǔ)知識(shí)并非扎實(shí)可靠。且課程大量課時(shí)用于理論講解，學(xué)生的實(shí)踐能力不強(qiáng)，制約卓越工程師的培養(yǎng)。由于理論的復(fù)雜難懂，加之有限元矩陣表達(dá)的枯燥，導(dǎo)致學(xué)生難以在課堂上與老師緊密互動(dòng)。更多的學(xué)生自己也知道有問(wèn)題存在，卻不知如何提問(wèn)求教。長(zhǎng)此下去，學(xué)生會(huì)失去信心，難以提升對(duì)課程的興趣。

3 課程改革的構(gòu)想與實(shí)踐

3.1 教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變

隨著計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件的高速發(fā)展，有限元知識(shí)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛，勢(shì)必需要更多的工程人員參與進(jìn)來(lái)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)船舶力學(xué)的直接計(jì)算。以往適用于研究生階段的船舶有限元課程，需要作進(jìn)一步的調(diào)整，將其教學(xué)范圍擴(kuò)大至本科及大專院校的專業(yè)高年級(jí)學(xué)生。這是順應(yīng)船舶工業(yè)及企業(yè)發(fā)展需求、培養(yǎng)卓越工程師的改革之路。目前，船舶設(shè)計(jì)建造規(guī)范已經(jīng)對(duì)船舶有限元分析的內(nèi)容、原則做了詳細(xì)的規(guī)定，這為正確建立模型提供了保證。因此，一般的船舶設(shè)計(jì)人員都需要掌握這門技術(shù)。

3.2 教學(xué)改革

1)加強(qiáng)教師工程背景的培養(yǎng)，提高教師的綜合能力。定期組織教師加入企業(yè)進(jìn)行考察、調(diào)研和實(shí)踐鍛煉，讓授課老師熟悉企業(yè)的工作流程和工作模式，了解生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的互補(bǔ)，為后續(xù)的學(xué)生培養(yǎng)更具針對(duì)性。

2)加大與企業(yè)合作的力度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)有限元方面的計(jì)算工作，積極爭(zhēng)取橫向項(xiàng)目，并讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái)，零距離接觸教學(xué)案例。部分項(xiàng)目也可以作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)案例，既幫助企業(yè)完成計(jì)算工作，又讓學(xué)生得到了鍛煉。

3)完成實(shí)用性強(qiáng)的講義和教材編寫。在前面兩條的基礎(chǔ)上，面向船舶行業(yè)規(guī)范，撰寫面向工程應(yīng)用的船舶有限元建模與分析教材，并加入大量工程實(shí)例說(shuō)明。該類教材工程實(shí)踐性高，適用性強(qiáng)。

3.3 教學(xué)方法的調(diào)整

打破傳統(tǒng)的以教師為中心，重理論輕實(shí)踐的教學(xué)模式，借助計(jì)算機(jī)軟件，以學(xué)生為主體進(jìn)行教學(xué)。對(duì)于卓越工程師培養(yǎng)，最有效的培養(yǎng)方式莫過(guò)于直接采用船廠或船舶設(shè)計(jì)單位、船舶研究所的原始資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行讀圖，讓他們了解他們將來(lái)的工作。這有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也為他們將來(lái)的就業(yè)和適應(yīng)工作崗位提供有力的支持。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，還可以復(fù)習(xí)船體制圖的相關(guān)內(nèi)容，幫助學(xué)生夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)。同時(shí)，設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)板塊，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在船舶有限元案例教學(xué)中，還可以將整船分成若干模塊，每個(gè)模塊根據(jù)工作量大小，指定一組同學(xué)，最后的計(jì)算分析又提交另一個(gè)小組負(fù)責(zé)，對(duì)于計(jì)算結(jié)果正確與否的分析，可以讓大家都參與進(jìn)來(lái)，進(jìn)行小組分析與討論。這些舉措，有利于加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神建設(shè)，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。由船舶項(xiàng)目為目標(biāo)，調(diào)整的船舶有限元課程教學(xué)模式見圖1。

圖1 以教學(xué)案例為中心的教學(xué)流程

3.4 考核體系的完善

考核體系不是傳統(tǒng)的筆試定成績(jī)，而是將考核體系納入課程學(xué)習(xí)的全過(guò)程，側(cè)重考核學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，兼顧團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)，課程考核細(xì)則見表1。

表1 船舶有限元課程考核的設(shè)計(jì) %

4 結(jié)論

船舶有限元課程是面向船舶工業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)船舶工程師的重要課程。在平時(shí)的教學(xué)及學(xué)習(xí)過(guò)程中，一些專業(yè)課程要緊緊圍繞卓越工程師的培養(yǎng)為目標(biāo)，以工程案例為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生主動(dòng)參與進(jìn)來(lái)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際能力和工程意識(shí)為基礎(chǔ)，直接與企業(yè)所需的人才接軌，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，讓學(xué)生能迅速適應(yīng)工作角色。船舶有限元課程經(jīng)過(guò)近兩屆畢業(yè)生的培養(yǎng)證明，畢業(yè)學(xué)生能較好實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)到工程實(shí)際的轉(zhuǎn)換，并能快速的進(jìn)入設(shè)計(jì)角色，得到用人單位的好評(píng)。

[1] 教育部高等教育司.最新高校卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃實(shí)施探索與國(guó)家創(chuàng)新工程技術(shù)人才培養(yǎng)方案指導(dǎo)全書[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2] 錢作勤，賀玉海，李煜輝.工科能源動(dòng)力類工業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃構(gòu)想[J].船海工程，2011，40(4)：39-42.

[3] 劉英學(xué)，劉文白，張寶吉.船舶與海洋工程專業(yè)培養(yǎng)模式研究[J].船海工程，2012，41(6):134-127.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.油船結(jié)構(gòu)直接計(jì)算分析指南[M].北京：人民交通出版社，2003.

[5] 張會(huì)霞，郭廷良.船舶與海洋工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式[J].船海工程，2011(4):46-47.

[6] 聶 武，孫麗萍.船舶計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7] 孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：人民交通出版社，2004.